秦路垚 趙博 黃遠(yuǎn)為

摘要：本文針對現(xiàn)階段電力系統(tǒng)中關(guān)于GIS設(shè)備的仿真培訓(xùn)資源不足的問題，介紹了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的GIS斷路器仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)針對河南某500kv抽水蓄能電站GIS斷路器進(jìn)行結(jié)構(gòu)展示、關(guān)鍵機(jī)構(gòu)原理展示，具有較強(qiáng)的沉浸感，能夠?yàn)殡娏ε嘤?xùn)提供服務(wù)及高教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】：GIS斷路器 虛擬現(xiàn)實(shí) 沉浸 培訓(xùn)

0引言

GIS設(shè)備作為電力系統(tǒng)比較關(guān)鍵的部分，其穩(wěn)定運(yùn)行對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，因而對其相關(guān)工作人員的工作能力要求很高。GIS斷路器作為GIS設(shè)備中比較常用的主要設(shè)備之一，它的作用更是不可忽視的。斷路器構(gòu)成了氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的中心元件。其構(gòu)成了氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的中心元件，能夠控制負(fù)荷在正常工作方式下的電流以及當(dāng)發(fā)生短路時能夠斷開短路時產(chǎn)生的電流，所以斷路器對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著非常重要的作用。與傳統(tǒng)斷路器相比，GIS斷路器內(nèi)采用了SF6氣體，其綜合能力以及對環(huán)境的適應(yīng)能力也比一般傳統(tǒng)的斷路器要更加好。如果GIS斷路器在電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行過程中發(fā)生故障，將對整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。

由于GIS斷路器的特殊性，操作人員很難使用實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行培訓(xùn)，因此研發(fā)與實(shí)際GIS斷路器結(jié)構(gòu)相同的虛擬仿真模型來提供操作人員的開展培訓(xùn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)階段電力系統(tǒng)非實(shí)物檢修培訓(xùn)方式普遍采用二維可視化技術(shù)。由于GIS設(shè)備的封閉性及其內(nèi)的斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二維圖片缺乏立體感與動態(tài)感，就使操作人員對設(shè)備結(jié)構(gòu)的認(rèn)識理解和學(xué)習(xí)效率大大降低。

與實(shí)物運(yùn)行系統(tǒng)相比，虛擬仿真系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）充分運(yùn)用三維模型、圖片、文字、聲音等多媒體形式調(diào)動檢修培訓(xùn)人員的積極性和主動性，提高培訓(xùn)效果。

（2）降低硬件投入的同時豐富設(shè)備資源庫，便于設(shè)備升級換代。

（3）更為安全可靠。

因此應(yīng)用前景十分廣闊。

1系統(tǒng)介紹

本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了一套仿真模擬系統(tǒng)，利用3dmax建模軟件建立GIS斷路器的三維模型，再利用Unity3d軟件開發(fā)模擬出一套仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了GIS斷路器的三維可視化、工作原理展示等模塊供操作人員學(xué)習(xí)，能夠讓操作人員身處其中，感受到和真實(shí)場景的一樣的感受，讓操作人員很好的置身于虛擬場景中，構(gòu)建了一個直觀的可視化虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用在電力技能培訓(xùn)中可減少因不熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的檢修次數(shù)，也可降低對培訓(xùn)設(shè)備場地的要求，更加具有靈活性，同時提高操作人員對設(shè)備的理解，提高了自身專業(yè)知識素養(yǎng)。

本系統(tǒng)是針對GIS設(shè)備之中非常重要的斷路器開發(fā)的，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行三維模型可視化展示，實(shí)現(xiàn)斷路器結(jié)構(gòu)教學(xué)、動作結(jié)構(gòu)工作原理展示。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真系統(tǒng)具有以往許多同類系統(tǒng)難以匹及的優(yōu)勢，它通過調(diào)動GUI控件、三維模型、圖片、聲音，物理引擎等，極大程度的模擬了現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)情況，功能豐富、易于實(shí)現(xiàn)且極大減少了開發(fā)投資，解決了常規(guī)軟件中不可視、不可摸、不可入的問題，而且更新速度快，所以其應(yīng)用前景十分廣闊。

2系統(tǒng)構(gòu)架

本系統(tǒng)中的GIS斷路器來源于河南某抽水蓄能電站的GIS設(shè)備中的斷路器，其工作于500KV的電力系統(tǒng)中。由于其內(nèi)SF6氣體的絕緣和滅弧特性，具有絕緣水平高、機(jī)械可靠性高、電氣壽命長的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在高電壓等級電力系統(tǒng)中。

本系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的人機(jī)交互性能以及沉浸感，再結(jié)合使用HTC vive等硬件設(shè)備及立體音響，用以給操作培訓(xùn)人員身臨其境的觀感體驗(yàn)。本系統(tǒng)利用Unity3D 軟件搭建虛擬平臺環(huán)境，用C#及Java Script語言進(jìn)行程序編寫，在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行。

根據(jù)實(shí)物設(shè)備及其操作原理結(jié)構(gòu)說明書進(jìn)行建模，在3dmax中建立GIS斷路器的三維模型，并完成動作機(jī)構(gòu)的動畫、材質(zhì)和燈光的渲染，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件中進(jìn)行實(shí)時交互設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)較為真實(shí)的虛擬交互體驗(yàn)，對硬件設(shè)備有較高要求，計(jì)算機(jī)需要具有較高的圖形處理能力，且基于Windows系統(tǒng)運(yùn)行增強(qiáng)了其通用性，便于設(shè)備升級換代。并且配合專用VR 設(shè)備及立體音響，沉浸感較強(qiáng)、3d體驗(yàn)性好，可加深操作培訓(xùn)人員對設(shè)備的理解。

3三維模型可視化展示

根據(jù)GIS斷路器實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立三維仿真模型，通過Unity3D交互語言，模擬操作仿真人員在操作或檢修設(shè)備之前對設(shè)備的環(huán)視觀察情況，通過操作手柄可自由選擇在虛擬場景中相對于斷路器的位置，通過VR頭盔轉(zhuǎn)換視角，來調(diào)整至最合適的觀察位置。通過操作手柄可以實(shí)現(xiàn)斷路器整體設(shè)備的透明化，對設(shè)備外殼和其內(nèi)主要部件工作原理的演示，操作培訓(xùn)人員可以清楚地看到斷路器滅弧室中靜觸頭和動觸頭部分結(jié)構(gòu)，操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成。原理演示過程伴隨文字及語音提示，詳細(xì)介紹斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在電力系統(tǒng)中的作用，運(yùn)用圖片的形式提醒檢修人員在進(jìn)入設(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行檢修時的安全要求，包括操作注意事項(xiàng)。

4工作原理展示

系統(tǒng)在三維模型展示的基礎(chǔ)上，通過3dmax中設(shè)置的交互動畫，可以模擬斷路器的實(shí)際運(yùn)行情況，包括：

（1）分閘過程、合閘過程、自能式滅弧室的動作原理;

（2）彈簧操動機(jī)構(gòu)儲能機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)原理展示;

（3）液壓操作機(jī)構(gòu)中控制模塊、儲能模塊、充壓模塊、檢測模塊的動作原理。

配合文字及語音講解，展示介紹各種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，加深操作檢修人員對結(jié)構(gòu)原理的理解。并學(xué)習(xí)當(dāng)機(jī)構(gòu)操作出現(xiàn)故障時，正確對異常現(xiàn)象進(jìn)行分析判斷，分析故障原因并選擇合適的處理方法。

5模擬檢修流程

由于斷路器在實(shí)際運(yùn)行中會發(fā)生拒不分?jǐn)唷㈤]合后拒動現(xiàn)象，需要在相對應(yīng)故障處理及提出解決辦法前，了解拒動產(chǎn)生的原因，包括彈簧儲能故障或機(jī)械部分安裝不正確等問題。本系統(tǒng)針對常見的電路連接錯誤、SF6氣壓不足設(shè)置檢修流程。通過對照虛擬斷路器中發(fā)生故障的部分，結(jié)合文字、語音、圖片及視頻的運(yùn)用，敘述每項(xiàng)檢修流程的具體步驟，包含：

（1）前期準(zhǔn)備工作（工具材料、人員配備、環(huán)境要求）;

（2）辦理相關(guān)工作票;

（3）檢查故障部件。

通過交互動作設(shè)計(jì)，可以使操作培訓(xùn)人員按照正確的操作步驟能完成全部檢修流程。

6結(jié)語

本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了一套仿真模擬系統(tǒng)，能夠讓操作人員身處其中，感受到和真實(shí)場景的一樣的感受，實(shí)現(xiàn)自然又直觀的人機(jī)交互系統(tǒng)，讓操作人員很好的置身于虛擬場景中，構(gòu)建了一個直觀的可視化的虛擬仿真系統(tǒng)。通過交互式體驗(yàn)，學(xué)習(xí)斷路器中各操作機(jī)構(gòu)的動作原理。

該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，使理論實(shí)踐內(nèi)容與多媒體新技術(shù)相結(jié)合，節(jié)約時間和成本，提高效率，也可降低對培訓(xùn)設(shè)備場地的要求，為電力培訓(xùn)提供新的解決方案，更加具有靈活性，也同時提高操作人員對設(shè)備的理解，并提高了自身專業(yè)知識素養(yǎng)。

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